一種可調式管道爬行機器人

2014-04-29 22:38:03帥青文帥青武

中國機械 2014年11期

帥青文帥青武

摘要：針對石油、化工、天然氣及核工業等產業迅速發展，各種管道作為一種重要的物料輸送設施，得到了廣泛應用。由于腐蝕、重壓等作用，管道不可避免地會出現裂紋、漏孔等現象。而管道所處的環境往往是人們不易或不能直接接觸的，因此，對于管道的檢測和維護成了工業生產中的一道難題，管道機器人有巨大需求，本文提出了管道機器人中的一種。

關鍵詞：石油，化工，管道，機器人

1.爬行原理的設計

充分利用仿尺蠖昆蟲的爬行原理，利用曲柄滑塊機構實現管道機器人[19]的前行，具體實施過程如下：啟動電機，轉盤轉動，連桿隨動受拉力，帶動后大滑塊向前，后大滑塊通過兩個后滑桿帶動兩足收攏，脫離管道側壁，后大滑塊通過滑槽前壁推動后機體往前移動，此時，轉盤受到阻力通過電機整體傳力至前機體，由于前大滑塊已處于滑槽最后面，兩個前滑桿帶動兩個前足向管道兩側撐開，足夠大的摩擦力抵抗前機體向后移動，結果只能是后機體往前運動，從而解決了前行問題。

2.結構及原理

圖1為可調式管道爬行機器人的結構示意圖，其由三部分組成，前體部分、后體部分及前后體連接部分。

前體部分包括帶有封閉滑槽的前機體1、固連有驅動電機5的前大滑塊4、與前大滑塊鉸接且帶有小滑槽的前滑桿、與前機體鉸接且帶有小滑塊的前足。

后體部分包括帶有封閉滑槽的后機體15、后大滑塊14、與后大滑塊鉸接且帶有小滑槽的后滑桿、與后機體鉸接且帶有小滑塊的后足。

后機體連接部分包括連接轉盤和后大滑塊的連桿7、連接前后機體承托電纜的拖鏈8。

這種可調式管道爬行機器人的工作原理是：

工作前，前大滑塊處于前機體滑槽的后部，后大滑塊處于后機體滑槽的前部，啟動電機，轉盤轉動，連桿隨動受拉力，帶動后大滑塊向前，后大滑塊通過兩個后滑桿帶動兩足收攏，脫離管道側壁，后大滑塊通過滑槽前壁推動后機體往前移動，此時，轉盤受到阻力通過電機整體傳力至前機體，由于前大滑塊已處于滑槽最后面，兩個前滑桿帶動兩個前足向管道兩側撐開，足夠大的摩擦力抵抗前機體向后移動，結果只能是后機體往前運動。

當轉盤轉過一定角度時，連桿開始受壓力，后大滑塊向后移動貼緊后機體滑槽后壁，后兩足撐開與管道兩側接觸產生摩擦力，后機體不能向后移動，此時，連桿通過轉盤、電機帶動前大滑塊向前，當前大滑塊向前消除滑槽中的間隙貼緊滑槽前壁，推動前機體向前運動。前后機體如此交替向前運動，實現在管道中的移動。

由于前后足是靠彈簧力壓在管壁上，這樣如果管徑直徑變小，則前后足將迫使彈簧壓縮;如果井眼直徑變大，則彈簧的彈力將迫使前后足繼續向外張開，從而使前后足始終與管壁壁接觸。這樣，在彈簧力許可的范圍之內，爬行器就可以在不同直徑的管徑內爬行。如果爬行器所要進入的管徑過大或過小，僅靠彈簧力原有的伸縮范圍無法保證提供合適的壓縮力。這時需根據管徑的尺寸范圍，在下管前預先調節彈簧的預壓量，從而保證彈簧力在合適的范圍之內———既保證能夠將整個爬行器支撐在管壁上，又保證前后足與管壁壁之間具有合適的正壓力，從而確保驅前后足與管壁之間保持較好的摩擦力。

當遇到一定曲率半徑的彎管時，由于彎道左右曲率半徑不一樣，撐開的左右足受力不一樣，轉向側受力大，相對側受力小，通過滑桿使大滑塊受到一定的側向力，此側向力使機體向轉向側移動，實現機體有一定的轉向能力。

當進行具體作業時，停止電機，機器人不移動，開啟裝在前機體上的專業設備，完成機器人所要進行的工作。

3.可調式管道爬行機器人的先進性

3.1可調式管道爬行機器人繼承了現有爬行機器人的優點，克服了其不足點

該可調式管道爬行機器人包括前機體和后機體，前后機身通過連桿相連，前機體上固連有驅動電機，前后機體分別鉸接有兩足，通過改變彈簧的預壓量和兩足的鉸接點，可以獲得兩足的不同張開距離，達到適應不同口徑管道的爬行需要。本機器人爬行速度快，可調性好，適應一定曲率半徑的彎管道，適用于多種工作環境下的管道作業，成本低，拆裝方便，實用價值高。

3.2可調式管道爬行機器人能克服現有一些爬行機器人的不足

到目前為止，經過各國學者努力，雖然也出現了各種形式的管道機器人，類似裝置驅動方案主要有輪式驅動、履帶式驅動、蠕動式驅動及液力(氣動)驅動等。但都存在一些不足，如適應能力不夠、結構復雜、移動速度慢、成本高、可靠性低等一些問題，給實際生產作業帶來了困難。

可調式管道爬行機器人能很好的克服以上缺點，主要原因是：1）前后機體正下方設計有支撐萬向滾輪，滾輪高度可調，以適應不同口徑的管道；2）該可調式管道爬行機器人提供一種了仿生學原理、結構簡單、可靠性高、可調性好、拆裝方便、成本低廉。這些特點現有的爬行器都不易具備。

4.綜述

4.1通過上面的研究我們得出可調式管道爬行機器人的優點：

(1）通過改變彈簧的預壓量和兩足的鉸接點，可以獲得兩足的不同張開距離，達到適應不同口徑管道的爬行需要，使其適應性較好；

(2）充分利用曲柄滑塊機構，結構簡單，可靠性好，可調性好、拆裝方便；

(3）依靠行走部分相對滑動和轉動使兩側行走的距離發生改變，從而達到在管道中具有一定的轉彎能力；

因此，該可調式管道爬行機器人技術具有非常重大的實用價值和經濟價值。

5.前景展望

該管道機器人的適應范圍及推廣前景

基于管道機器人具有以下優點：1）適用于各種管內作業; 2）適用于管道的無損檢測；3）適用于各種管道的清理等。提高了管道機器人的可靠性和效率以及降低了使用成本，能滿足各種管道作業的需求，因此可調式管道爬行機器人具有很好的應用前景。